温故而知新 GF116核心架构浅析

温故而知新 GF116核心架构浅析

        根据NVIDIA针对GF110、GF114和GF116的定位为除了一个较为形象的比喻，GF110拥有最猛火力的重装战士，而GF114是具备杀伤力武器的机动战士。而GF116被定义为“Sniper”（狙击手），拥有一击毙命的本事，足见NVIDIA对这款产品的厚望。

GF110（左）和GF114（右）核心架构图

GF116核心架构图

        通过上面GF110、GF114和GF116的核心架构图，我们发现虽然在整体架构上三者保持了Fermi的完整性，例如GPC→SM→CUDA Core由广到微的等级结构，例如独立的Polymorph Engine和Raster Engine的设计等。

        而且从GF114和GF116架构图中不难看出，就GPC、SM、CUDA Cores、MC控制器而言，GF106正好均为GF114的一半。

        不过在微架构上，例如SM的CUDA Core等功能模块的组成，GF116延续了GF114的设计，即每组SM中包含48个CUDA Core、8个SFU和8个纹理单元等改良设计。相比拥有庞大规格的GF110而言，GF114的微架构的优化能够弥补先天规格不足的弊端，所以GF116传承了GF114微架构体系设计。

       ● GF116核心SM模块的设计优势

        GF116由于传承了GF114的SM微架构设计，原因很简单，从基于GF114核心打造的GeForce GTX 560 Ti性能表现就能看出，这种微架构的调整换来了在3D性能上更突出的表现，而GF116产品针对的用户群体更加明确，针对主流消费者用户设计，自然这类占绝对大比例的用户对产品的体验主要集中在3D效能体验，所以有了GF116这样的设计。

        当然这样并不是否定GF110核心SM微架构设计的不合理，毕竟GF110针对的用户群体是最高端的，同时还要兼顾通用计算方面的性能，所以才会有了GF110核心SM微架构设计。与其说NVIDIA针对不同用户群设计不同的定位的核心，不如说NVIDIA针对不同用户群设计了不同SM微架构的核心。

GF110 SM架构图

GF114/GF116 SM架构图

        GF116的一个SM中现在拥有48个CUDA Core，每个CUDA Core由两个Dispatch Port、Operand Collector、Result Queue以及INT整型数单元与FP浮点数单元构成。其中GF106的ALU和FPU均继承了GF100中CUDA Core的优良特性，例如ALI可以支持64bit精度指令运算，还有比较、布尔和移位等指令计算，值得一提的是Fermi架构的ALU通过改进现已完整支持32bit整数算法。同时FPU支持IEEE 754-2008标准，这一切一切的改变和支持都为Fermi架构在GPU通用计算上打下坚实基础。

        当然，在CUDA Core的优化上可以大幅提升GPU运算能力，但是没有良好的缓存设计及读写机制也无法发挥GPU的能力。在GF116的每个SM中与GF110一样，都包含LD/ST Cache、L1 Cache、Uniform Cache和Texture Cache。其中GF106拥有12KB的L1纹理缓存之外，还拥有真正意义的L1 Cache和L2 Cche可读写缓存。就每组SM而言，每组SM拥有8个纹理单元共享12KB的L1纹理缓存，32个CUDA Core使用16KB L1缓存搭配48KB共享缓存或48KB L1缓存搭配16KB共享缓存两种组合，最后还有768KB超大L2缓存。

        我们可以看到GF116每个SM中CUDA Core数量和Texture Unit数量均有大幅增加，这都会增加SM的3D计算能力，从而让用户在游戏体验上获得更好的效果。不过相反每个CUDA Core和Texture Unit分得的各类Cache有所减少，这应该是NVIDIA GPU架构工程师针对主流用户使用需求的前提下，在性能、晶体管平衡取舍上得出的最佳比例。